¿Es más difícil enfriar que calentar?

Su observación es correcta, aunque, como es de esperar, generalmente se expresa en términos más precisos. La razón tiene que ver con la Segunda Ley de la Termodinámica. Hay un buen artículo sobre el tema aquí ( https://www.livescience.com/50941-second-law-thermodynamics.html ), y a continuación presentaré un argumento con mis propias palabras.

La Segunda Ley de la Termodinámica se refiere al comportamiento de una cantidad llamada entropía. La entropía esencialmente realiza un seguimiento de la cantidad de estados posibles en los que puede estar un sistema. A menudo escuchará esto expresado como "la cantidad de desorden en un sistema"; esta definición funciona siempre y cuando no consideres nada particularmente loco, pero la "cantidad de desorden" no es algo medible cuantitativamente, por lo que no es una definición formal particularmente buena. Dicho esto, cualquiera de esas definiciones debería funcionar para explicar sus observaciones, así que siéntase libre de usar la que sea intuitiva por ahora.

Con un poco de estadística aplicada, resulta que, en general, los objetos fríos tienden a estar más ordenados (es decir, tienen menos estados posibles en los que pueden estar). Los objetos calientes, por el contrario, tienden a estar más desordenados; dado que sus moléculas se mueven más rápido, hay más estados a los que tiene acceso el sistema. Si asume que, a nivel microscópico, todos los estados de las moléculas del sistema son básicamente igualmente probables (lo cual es una buena suposición para la gran mayoría de los sistemas reales), entonces probablemente concluiría que, eventualmente, un sistema, cuando se lo deja en su lugar. propio, debería ser mucho más probable que termine en una configuración que cubra muchos estados posibles (lo que significa que está en una configuración con mayor entropía). ¡Felicitaciones, acabas de derivar la Segunda Ley de la Termodinámica! Formalmente, establece quela entropía de un sistema cerrado no disminuye con el tiempo . Coloquialmente, significa que un sistema que inicialmente está ordenado (con, por ejemplo, separación entre frío y calor) tenderá al desorden si se deja solo (donde, por ejemplo, todo se ha calentado a aproximadamente la misma temperatura). Crear una región fría es equivalente a crear una región de mayor orden o menor entropía; tal proceso es estadísticamente improbable, por lo que es difícil de hacer.

Pero hay otra advertencia de la que tenemos que preocuparnos. Tuve cuidado de afirmar que la entropía de un sistema cerrado no disminuye con el tiempo; pero resulta que para que la entropía permanezca exactamente igual con el tiempo, debe actuar en su sistema infinitamente rápido, ¡lo cual obviamente no es práctico! Entonces, para cualquier proceso real que tome una cantidad finita de tiempo, la entropía de un sistema cerrado aumentará. ¿Qué significa esto practicamente? Significa que cualquier cosa que haga para intentar, por ejemplo, crear un punto frío, inevitablemente tendrá que desperdiciar algo de energía aumentando la entropía de su entorno. Esta energía desperdiciada es precisamente el calor que observas.

¡Buena pregunta! Sin embargo, una forma de pensarlo es que el frío es la ausencia de calor. Un cuerpo entrará en equilibrio térmico con su entorno. Entonces, a temperaturas normales, un cuerpo caliente se enfriará si se encuentra en un ambiente más frío. Esto está bien para objetos calientes y ambientes a temperatura ambiente. En ese caso, es mucho más fácil que el objeto de detección de calor se enfríe por sí solo. Sin embargo, a veces desea enfriar objetos muchos grados por debajo de la temperatura ambiente. ¡Quizás hasta 270 grados bajo cero! Aquí debe enfriar el objeto en sí o crear un ambiente que sea así de frío. Por lo tanto, en casos como este, enfriar un objeto requiere mucho esfuerzo y energía.

Tal vez de una manera más simple...

1. La segunda ley de la termodinámica básicamente establece que la entropía tiende a crecer.
2. La entropía es un término complejo de entender porque implica cambios, pero se puede entender una buena noción pensando en ella como "dispersión de energía". Por lo tanto, la segunda ley establece que "la energía tiende a dispersarse".
3. El calor tiene más energía que el frío (eso sí, en condiciones adecuadas). Entonces, si pones dos cuerpos en contacto, el calor fluirá del cuerpo caliente al frío y no a la inversa. ¿Por qué? Porque el cuerpo caliente tiene más energía que el frío, y "la energía tiende a dispersarse".
4. Si tratas de enfriar un cuerpo, básicamente estás tratando de extraer su energía. Esto solo se puede hacer si concentras su energía en un segundo cuerpo. ¡Pero eso es contra la ley! (bueno, el 2º de la termodinámica). Eso es lo que es difícil enfriar las cosas.
5. La única forma de concentrar la energía dispersa es usando más energía. Puede beneficiarse del hecho de que los gases en expansión absorben calor (debido al aumento de volumen), o en otras palabras, los gases en expansión toman energía en forma de calor. Entonces, pon tu cuerpo y un gas en expansión en contacto. ¡Voilà!... Parece que no usaste más energía. Pero espera... ¿Cómo conseguiste gas presurizado? Ahí está. Invertiste energía en ponerlo bajo presión.

Esto significa que si dejas la puerta de tu refrigerador abierta para enfriar tu hogar, terminarás con un lugar más cálido. Concentrar energía requiere más energía. Eso es difícil para nosotros. Y es por eso que no puedes enfriar un cuerpo a 0 Kelvin usando este método (u otros): cualquier gas en expansión siempre tendrá algo de energía.

De la ley de enfriamiento de Newton, la tasa de calor observada por el cuerpo dQ es directamente proporcional a la diferencia en la temperatura circundante (Q1 - Q2), donde Q1 es la temperatura del entorno y Q2 es la temperatura del cuerpo, por lo que el cuerpo frío tiene la tasa de observación es alta y la temperatura aumenta rápidamente, por lo que no podemos mantener el objeto frío durante mucho tiempo, pero para el proceso de calentamiento tenemos diferentes fuentes que ayudan a generar calor fácilmente....

El calentamiento aumenta el desorden y el enfriamiento lo disminuye. Este último siempre será más difícil debido puramente a las estadísticas.